Контрольные вопросы и упражнения

1. Какие валентности проявляют элементы подгруппы титана?

2. В виде каких минералов встречаются в природе титан, цирконий и гафний?

3. Напишите уравнения реакций получения титана, циркония и гафния из их природных соединений.

4. Можно ли применить метод восстановления водородом для получения в свободном виде металлов подгруппы титана из их оксидов?

5*. Напишите уравнение реакции взаимодействия между титаном и кипящей водой?

6. При каких условиях элементы подгруппы титана вступают в соединения с галогенами, кислородом, серой, углеродом, азотом? Напишите уравнения соответствующих реакций.

7*. Какие металлы, относящиеся к подгруппе титана, растворяются в разбавленных растворах соляной, серной и азотной кислот? Напишите уравнения реакций.

8. Напишите уравнения реакций взаимодействия между титаном и концентрированной азотной кислотой.

9*. Напишите уравнения реакций взаимодействия элементов подгруппы титана с «царской водкой».

10*. Почему добавление плавиковой кислоты к азотной способствует растворению металлов подгруппы титана?

11*. При одинаковых ли условиях протекает реакция взаимодействия титана и циркония со щелочами? Напишите уравнения соответствующих реакций.

12*. Напишите уравнение реакции взаимодействия между ТiО₂ и концентри-

рованной кислотой. При каких условиях протекает эта реакция?

13*. Как можно перевести в растворимое состояние ТiО₂ и ZrО₂ при помощи НF и щелочей? Напишите уравнения реакций.

14. Напишите уравнения реакций получения гидроксидов элементов подгруппы титана.

15. Обладают ли гидроксиды элементов подгруппы титана амфотерными

свойствами ?

16. Взаимодействует ли гидроксид титана (IV) со щелочами?

17*. Как получить титанат бария? Напишите уравнение реакции перевода титаната бария в растворимую форму.

18. Можно ли ТiСl₃ и ТiСl₄ растворить в воде?

19*. Напишите уравнения реакций взаимодействия между раствором Тi(SО₄)₂ и сульфидом аммония.

20. Предложите методику получения титаната калия.

21. Окислительно-восстановительный потенциал системы

Тi³⁺ + Н₂О – ē = ТiО²⁺ + 2Н⁺

составляет 0,10 В. Можно ли восстановить соединения Тi(IV) в Тi(III): а) металлическим калием; б) хлоридом хрома(II); хлоридом олова(II)? Напишите уравнения соответствующих реакций.

22. Какими свойствами обладают соединения титана (III)? Закончите уравнения реакций:

а) TiCl₃ + FeCl₃→

б) TiCl₃ + K₂Cr₂O₇ + HCl ()→

в) TiCl₃ + O₂ + H₂O →

г) Ti₂(SO₄)₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ →

14. Элементы vb подгруппы

V Nb Ta

Атомы ванадия, ниобия, тантала имеют следующие электронные конфигурации: V .....3d³4s², Nb.....4d⁴5s¹, Ta ....5d³6s² и проявляют степени окисления: +2, +3, +4, +5

Физические свойства

Элемент	Rат.Å	I,эВ	d,г/см3	Т°плавл.	Т°кипен.	%в з.к.
V	1,32	6,7	5,98	1826	3396	1,6∙10–2
Nb	1,43	6,9	8,58	2468	4300	1,0∙10–3
Ta	1,43	7,9	16,7	2998	5296	2,0∙10–4

Минералы, имеющие промышленное значение, представлены ниже.

Элемент	Ванадий	Ниобий, тантал
Минерал	3Pb3(VO4)2∙PbCl2 ванадит (0,1 - 0,2% ) - в бурых железняках	(Fe,Mn)NbO3∙TaO3 колумбиты, танталиты (~16% Nb2O5) – - лопарит

Получение металлов можно представить схемой:

1. Обогащение руды и получение концентрата

2.Извлечение из концентрата Ме₂О₅

3. Получение Ме из Ме₂О₅ (алюмотермия)

4. Переплавка Ме в вакуумных печах

Например, ванадий из оксида металла получают восстановлением металлическим алюминием (а) или термическим разложением иодида ванадия (б):

а) 3V₂O₅ + 10Al6V + 5Al₂O₃

б) VI₂ V + I₂

Химические свойства. Химическая активность увеличивается снизу в верх, самый активный элемент в подгруппе - ванадий. Они реагируют при нагревании практически со всеми простыми веществами:

4V + 5O₂ = 2V₂O₅

V + Г₂

F₂: → VF₅

Cl₂: → VCl₂, VCl₃, VCl₄

Nb, Ta + Г₂ МеГ₅

 твердые р-ры

V, Nb, Ta MeN

 MeSi₂

 MeC

Отношение к кислотам и щелочам. Из-за защитной пленки эти металлы с разбавленными кислотами HCl и H₂SO₄ - не взаимодействуют.

V - растворяется в НF, НNО₃(конц.), царской водке, H₃PO₄(конц.) и H₂SO₄(конц.) при нагревании:

3V + 5HNO₃ = 3HVO₃ + 5NO + H₂O

Nb, Ta - растворяются в НF, царской водке и смеси HNO₃+ HF

(HF - растворяет защитную пленку):

3Nb + 5HNO₃ = 3HNbO₃ + 5NO +H₂O

При сплавлении со щелочами в присутствии окислителей (NaNO₃, (NH₄)₂S₂O₈)

образуются соли - ванадаты, ниобаты:

4Nb + 4NaOH + 5O₂ = 4NaNbO₃ + 2H₂O

расплав

Процесс протекает за счет растворения расплавленной щелочью оксидной пленки, имеющей кислотный характер:

Ме₂О₅ + 2КОН = 2КМеО₃ + Н₂О

Соединения ванадия, ниобия, тантала

Оксиды и гидроксиды. Для V : Ме₂О₃, Ме₂О₂, Ме₂О₅

для Nb,Ta : Ме₂О₅

VO (V₂O₂) - светло-серого цвета

V₂O₃ - черного

VO₂ (V₂O₄) - сине-голубого

V₂O₅ - красного

+2 +3 +4 +5

VO V₂O₃ VO₂ V₂O₅

основной характер амфотерный кислотный

1) VO + H₂SO₄ = VSO₄ + H₂

осн.св. разбавл.

2) V₂O₃ + 3H₂SO₄ = V₂(SO₄)₃ + 3H₂O (быстрее в HNO₃ и HF)

слабо-осн. св.

3) а) VO₂ + H₂SO₄ = VOSO₄ + H₂O (VО²⁺- радикал ванадил)

амфотер. сульфат ванадила

б) 4VO₂ + 2NaOH = Na₂V₄O₉ + H₂O

H₂V₄O₉ = 4VO₂∙H₂O -поливанадистая кислота

соли - ванадиты

4) V₂О₅ - соответствуют ванадиевые кислоты ( соли-ванадаты):

V₂O₅∙H₂O = 2HVO₃ - мета-

V₂O₅∙2H₂O = H₄V₂O₇ - пиро-

V₂O₅∙3H₂O = 2H₃VO₄ -ортованадиевая кислота

V₂O₅ Nb₂O₅ Ta₂O₅

Существуют поливанадиевые кислоты (xV₂O₅∙yH₂O)

Например, получить поливанадат аммония можно по реакции:

6NH₄VO₃ + 2HCl = 2NH₄Cl + H₂O + (NH₄)₄V₆O₁₇ (3V₂O₅∙2H₂O≡ H₄V₆O₁₇)

оранж.-желттого цв.

Восстановление ванадата аммония из степени окисления +5 в +4, +3, +2 –можно провести последовательно, констатируя изменение окраски получаемых соединений:

NH₄VO₃ + 2H ⁺  VO²⁺

V IV III II

VO²⁺VO²⁺VV

желтый зеленый голубой сиреневый

Получение надванадиевой кислоты можно осуществить по реакции:

NH₄VO₃ + H₂O₂ + HCl = H₂O + HVO₄ + NH₄Cl

вишнево-красного

цвета

Применение

Металлы относятся к перспективным материалам современной техники. Применяют как добавки для улучшения свойств специальных сталей.

Nb и Ta - при сварке разнородных металлов, в вакуумной технике и радиоэлектронике. Из Tа изготовляют медицинские инструменты, используют для замены поврежденной костной ткани в человеческом организме (он срастается с живыми тканями).